Les physiciens Hong Qin, à gauche, et Yichen Fu, avec le rendu de 10 phases de plasma de leur article sur Nature Communications. Crédit : Photos et collage par Elle Starkman/Office of Communications
Les scientifiques ont découvert une nouvelle façon de classer les plasmas magnétisés qui pourraient éventuellement conduire à des progrès dans la récolte sur Terre de l’énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles. La découverte par des théoriciens du laboratoire de physique des plasmas de Princeton du Département de l’énergie des États-Unis (DOE) (PPPL) a trouvé qu’un magnétisé plasma a 10 phases uniques et les transitions entre elles pourraient avoir de riches implications pour le développement pratique.
Les limites spatiales, ou transitions, entre les différentes phases soutiendront des excitations d’ondes localisées, ont découvert les chercheurs. “Ces découvertes pourraient conduire à des applications possibles de ces excitations exotiques dans les plasmas spatiaux et de laboratoire”, a déclaré Yichen Fu, étudiant diplômé à PPPL et auteur principal d’un article dans Communication Nature qui décrit la recherche. “La prochaine étape consiste à explorer ce que ces excitations pourraient faire et comment elles pourraient être utilisées.”
Applications possibles
Les applications possibles incluent l’utilisation des excitations pour créer un courant dans les plasmas de fusion magnétique ou la facilitation de la rotation du plasma dans les expériences de fusion. Cependant, « notre article ne considère aucune application pratique », a déclaré le physicien Hong Qin, co-auteur de l’article et conseiller de Fu. “L’article est la théorie de base et la technologie suivra la compréhension théorique.”
En fait, “la découverte des 10 phases dans le plasma marque un développement primaire dans la physique des plasmas”, a déclaré Qin. « La première et principale étape de toute entreprise scientifique est de classer les objets à l’étude. Tout nouveau système de classification entraînera une amélioration de notre compréhension théorique et des progrès technologiques ultérieurs », a-t-il déclaré.
Qin cite la découverte des principaux types de diabète comme exemple du rôle que joue la classification dans le progrès scientifique. « Lors du développement de traitements pour le diabète, les scientifiques ont découvert qu’il existait trois types principaux », a-t-il déclaré. « Maintenant, les médecins peuvent traiter efficacement les patients diabétiques. »
La fusion, que les scientifiques du monde entier cherchent à produire sur Terre, combine des éléments légers sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composé d’électrons libres et de noyaux atomiques qui constituent 99% de l’univers visible – pour libérer massivement quantités d’énergie. Une telle énergie pourrait servir de source d’énergie sûre et propre pour produire de l’électricité.
Les phases de plasma que PPPL a découvertes sont techniquement connues sous le nom de « phases topologiques », indiquant les formes des ondes supportées par le plasma. Cette propriété unique de la matière a été découverte pour la première fois dans la discipline de la physique de la matière condensée au cours des années 1970 – une découverte pour laquelle le physicien Duncan Haldane de université de Princeton a partagé le prix Nobel 2016 pour son travail de pionnier.
Robuste et intrinsèque
Les ondes de plasma localisées produites par les transitions de phase sont robustes et intrinsèques car elles sont « topologiquement protégées », a déclaré Qin. “La découverte que cette excitation topologiquement protégée existe dans les plasmas magnétisés est un grand pas en avant qui peut être exploré pour des applications pratiques”, a-t-il déclaré.
Pour le premier auteur Fu, « le progrès le plus important dans l’article est d’étudier le plasma en fonction de ses propriétés topologiques et d’identifier ses phases topologiques. Sur la base de ces phases, nous identifions la condition nécessaire et suffisante pour les excitations de ces ondes localisées. Quant à savoir comment ces progrès peuvent être appliqués pour faciliter la recherche sur l’énergie de fusion, nous devons le découvrir. »
Référence : « Topological phases and bulk-edge correspondance of magnetized cold plasmas » par Yichen Fu et Hong Qin, 24 juin 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-24189-3
Le DOE Office of Science (FES) a soutenu ce travail.
